张跃钢研究组在镁电池电解液研究中取得进展
2022年11月02日
镁（Mg）金属具有成本低、理论比容量高、安全性好等优势，是一种很有前景的负极材料。然而，Mg2+的高电荷密度（120 C/mm3）极大限制了Mg2+在电解液、界面以及电极材料中的传导；此外，镁金属较低的还原电位（-2.37 V vs. SHE）和强烈的溶剂化效应使得许多电解液中的溶剂和电解质盐会持续不断地和镁负极反应形成不利于镁离子传导的钝化层，进而导致不可逆的镁沉积-溶解。设计具有稳定、低成本、电化学性能优异的电解液是镁二次电池发展的关键技术挑战之一。
无机电解质盐MgCl2因其经济、稳定、易生产等特点而优势显著，但MgCl2极低的溶解度严重阻碍了Mg2+有效的传导。针对这一问题，清华大学张跃钢课题组前期进行了一系列利用锂盐添加剂有效提升MgCl2解离度的研究（Energy Environ. Mater., 2022, DOI: 10.1002/eem2.12327；Energy Storage Mater., 2022, 51, 873-881；Adv. Funct. Mater., 2019, 30, 1909370），其中全无机的镁锂氯复合物（MLCC）电解液可以通过Cl-的桥接作用形成Mg-Cl-Li团簇结构减少溶剂的配位，降低Mg2+的脱溶剂化能，实现可逆的镁沉积-溶解。然而相比于锂离子电解液，MLCC离子电导率依然较低，使得镁金属的沉积和溶解在更高的电流密度下呈现较高的过电势和较短的循环寿命。因此，进一步优化MLCC电解液的离子电导率和循环稳定性对未来镁二次电池的实际应用十分必要。
最近，清华大学张跃钢教授课题组设计引入双(2,2,2-三氟乙基)醚（BTFE）作为MLCC电解液的共溶剂，促进了带电离子团簇和固体电解质中间相（SEI）的生成，有效改善了电解液的离子电导率和镁金属负极的长循环稳定性。得益于BTFE共溶剂对电解液溶剂化结构和负极界面的调控，BTFE共溶的MLCC-1T1B电解液可以在20.0 mA/cm2的超高电流下可逆沉积-溶解镁。Mg//Mg电池在5.0 mA/cm2和15.0 mA/cm2电流密度下可分别循环1200 h和250 h，在电流密度、沉积容量以及循环寿命方面的性能显著优于目前报道的Mg//Mg对称电池。Mg//CuS全电池可循环800次，放电比容量高达160mAh/g；Mg//Mo6S8全电池可在80 C（1 C=128.8 mA/g）的超高倍率下工作10000次。这一研究工作提供了一种有效的溶剂化结构和界面调控策略，对推动镁二次电池的实用化具有重要意义。
图1 共溶剂调控电解液溶剂化和电极-电解液界面示意图及镁电池长循环性能
该研究成果以“Cosolvent-Assisted Formation of Charged Ion-Solvent Clusters and Solid Electrolyte Interphase for High-Performance Magnesium Metal Batteries”为题发表在国际著名学术期刊Advanced Energy Materials上。清华大学物理系张跃钢教授为该文的通讯作者，清华大学物理系博士生肖建华、张馨心为文章的第一作者。该项工作得到国家自然科学基金（U1832218，22150710516）、量子信息前沿科学中心、北京未来芯片技术高精尖创新中心和清华-富士康纳米科技研究中心的支持。